CN108258364A - 一种复合散热材料的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合散热材料的制作方法，具体包括：在冷却板表面均匀涂覆一液态的第一厚度的第一导热层；在第一导热层上均匀涂覆一软性的第二导热层；冷却板、第二导热层及第一导热层结合成一复合散热材料，将复合散热材料进行固化。依靠第一层高硬度及高力学强度的耐磨损的第一导热层和第二层低硬度柔性第二导热层在冷却板表面形成复合导热材料，实现了复合散热材料的固定、抗磨损、高效导热，且提高了绝缘可靠性。

Description

一种复合散热材料的制作方法

技术领域

本发明涉及动力电池组件的技术领域，特别涉及一种新能源动力电池组件中的散热复合散热材料的制作方法。

背景技术

导热材料广泛作为电子电器产品的散热器件的辅助材料，其通过在发热器件和散热器件之间填充，有效降低了两者之间的热阻，将热量迅速传递到散热器件。导热材料是以导热填料为主，经导热填料、聚合物、助剂混合，形成导热系数在0.2-10.0W/m.k的产品，通常有导热脂、导热胶、导热凝胶、导热垫片等形式的产品。应用在发热和散热器件之间起到辅助散热目的，同时还具有绝缘、耐高温、减震、粘接固定等功能。各类导热材料分别具有以下特点：

导热脂：通常直接涂抹或印刷在器件表面，成脂状不固化物，没有强度，容易迁移或擦除，适合静态物体的导热。

导热胶粘剂：通常加热或室温固化，呈高强度、高硬度、略有弹性、粘接性固化物。

导热凝胶：通常加热或室温固化，呈低硬度、低强度、柔软的凝胶状物。

柔性导热垫片：用导热凝胶预成型在离型膜上，使用时取下，贴到需要的界面表面。其力学性能和导热凝胶类似，硬度低、外观是柔软的片状，使用较为方便。

在应用方面基本根据需求使用对应的导热材料。在无震动环境的电器如电视机、电脑等，通常使用导热硅脂。在侧向散热、承载重力、震动需求使用导热胶粘剂，有助于发热器件和散热器件的良好固定。在需要维修和拆卸的器件之间，则用导热凝胶或导热脂、导热垫片类产品。

在新能源汽车动力电池制造中，电池工作温度需要得到非常好的热管理。动力电池在工作时，会产生热量，当热量累积过高时，会降低工作效率，严重时温度失控，导致自动断电、着火、寿命大幅度降低等问题，存在极大的安全隐患。因此在汽车动力电池的各种设计和制造中，存在各种各样的热管理设计。如整体灌导热硅油、导热灌封硅胶，这种方法促进了热量的均匀分布和散热到整个外壳表面，但是大大增加了电池的重量，也不利于维护，目前这种设计在逐步减少。部分设计是采用主动散热方式，将冷却管或冷却板结合到电池箱中，将电池的热量通过冷却管中的冷却液(如水、乙二醇/水混合物)传递到电池箱外的散热单元。在冷却板或冷却管和电池包接触的表面结合导热材料，可有效的电池的热量传递到冷却板表面。

考虑到汽车运行处于常年振动的环境，又兼顾易于维修的要求，通常不使用导热脂和具有高强度粘接的导热胶粘剂类产品。因为导热硅脂在运动震动中，会因为震动导致导热填料和有机树脂发生再分布，出现油析出，粉化，开裂等现象；同时受震动和器件的形变，挤压等外力作用，导致导热脂类材料迁移，降低散热效率甚至失去其功能。因为部分器件需要定期更换或维修，不宜使用硬度高、粘接力大，难于拆卸的导热胶粘剂。而使用有硬度、没有粘附力的导热垫片在没有机械或胶粘剂固定时，也会因为震动出现位移等情况。为解决振动环境和易于维修的需求，低强度的导热凝胶以及低硬度的导热垫片是比较好的选择，其兼顾紧密贴合、导热、易拆卸、低应力等特点。

在各种电池包的表面，包覆了一层较硬的有机薄膜，如PET等，在包覆电池的同时，也起到防止和接触的其它材料之间相互磨损。但是在个别情况下，磨损不一定能绝对避免，存在导致电池液泄漏外溢的风险。考虑到成型、受力、轻量化等的设计，箱体和水冷板通常是金属材质，如铝、铝合金等。为了防止磨损破裂的电池在维修之前出现和电池箱、冷却板之间导电连通，有必要在冷却板或冷却管表面做绝缘保护处理，降低安全隐患，提高工作可靠性，降低意外灾害的发生。此外，电池表面的硬质包覆膜因为震动、热胀冷缩、位移等原因，如果下面的导热材料强度不够高，也存在磨破导热层而直接接触冷却板的风险。如果在冷却板或冷却管表面先做绝缘保护层，再做导热凝胶或覆盖凝胶型导热垫片时，绝缘层则会提高热阻，降低热传递效率。

为此，我们提出一种提高导热效率、提高绝缘可靠性的复合散热材料的制作方法。

发明内容

本发明的主要目的在于提供了一种复合散热材料的制作方法，实现了复合散热材料的固定、抗磨损，高效导热、提高了绝缘可靠性的优点。

为实现上述目的，本发明提供了一种复合散热材料的制作方法，其制作方法包括：

步骤S100、在冷却板表面均匀涂覆一液态的第一厚度的第一导热层；

步骤S200、在第一导热层上均匀涂覆一软性的第二导热层；

步骤S300、所述冷却板、所述第二导热层及所述第一导热层结合成一复合散热材料，将所述复合散热材料进行固化。

优选的，所述第一导热层为导热胶粘剂，所述第二导热层为导热凝胶或柔性导热垫片。

优选的，所述步骤S200包括：

S200’、对所述导热胶粘剂进行固化，在固化后的所述导热胶粘剂上均匀涂覆一第二厚度的导热凝胶。

优选的，所述步骤S200包括：

S200”、在未固化后的导热胶粘剂上均匀涂覆一第三厚度的导热凝胶。

优选的，所述步骤S200包括：

S200”’、在未固化后的导热胶粘剂上粘贴一柔性导热垫片。

优选的，所述软性导热垫片的厚度为0.2mm-2mm。

优选的，所述导热胶粘剂的硬度>50，所述导热胶粘剂的导热系数范围为0.5-10.0W/m.k，所述导热胶粘剂的体积电阻率>1×10¹²Ω.cm，所述导热胶粘剂的电气强度>10kV/mm。

优选的，所述导热凝胶的硬度<25，所述导热凝胶的导热系数范围为0.5-10W/m.k，所述导热凝胶的体积电阻率>1×10¹²Ω.cm，所述导热凝胶的电气强度>10kV/mm。

优选的，所述导热胶粘剂为缩合型导热硅橡胶或单组分加成型导热硅橡胶或双组份加成型导热硅橡胶。

优选的，所述导热凝胶为单组分加成型导热硅凝胶或双组份加成型导热硅凝胶或低硬度缩合型硅橡胶。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：依靠第一层高硬度及高力学强度的耐磨损的第一导热层和第二层低硬度柔性第二导热层在冷却板表面形成复合导热材料，实现了复合散热材料的固定、抗磨损、高效导热，且提高了绝缘可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例的复合散热材料的立体结构示意图。

图2为本发明的复合散热材料的制作方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

本发明的复合散热材料主要用于汽车动力电池的散热，如图1为本发明实施例的复合散热材料的结构示意图。如图1所示，本发明的实施例的复合散热材料100包括冷却板10、第一导热层20及第二导热层30，第二导热层30、第一导热层20及冷却板10由上至下依次覆盖。

具体的，通过如下复合散热材料100的制作方法进行上述复合散热材料100的制作，如图2所示，为本发明的复合散热材料的制作方法的流程图，具体的：

步骤S100、在冷却板表面均匀涂覆一液态的第一厚度的第一导热层；

步骤S200、在第一导热层上均匀涂覆一软性的第二导热层；

步骤S300、所述冷却板、所述第二导热层及所述第一导热层结合成一复合散热材料，将所述复合散热材料进行固化。

对复合散热材料的制作可有三种不同的制作方法，在复合散热材料的三种制作方法中步骤S100’、S100”、S100”’是相同的。现就步骤S100’或S100”或S100”’中在冷却板表面均匀涂覆一液态的第一厚度的第一导热层进行具体的描述：

其中，第一导热层为导热胶粘剂，导热胶粘剂通过加热形成液态，并将该液态的导热胶粘剂涂覆于冷却板上。优选的，第一厚度范围为0.1-2mm，可根据具体所需的散热效果设置不同的第一厚度，但并不以此为限。为实现本发明中复合导热材料的抗磨损、高效导热、提高绝缘可靠性的要求时，对导热胶粘剂的硬度、导热系数、体积电阻率及电气强度等均有一定的要求：导热胶粘剂需具有绝缘、导热、高硬度、粘接力高、使用方便等特点。优选的，导热胶粘剂的硬度>50，导热胶粘剂的导热系数范围为0.5-10.0W/m.k，导热胶粘剂的体积电阻率>1×10¹²Ω.cm，导热胶粘剂的电气强度>10kV/mm。更优的，导热胶粘剂为硬度>80、导热系数>1.0W/m.k、体积电阻率>1×10¹²Ω.cm，电气强度>12kV/mm的缩合型导热硅橡胶或单组分加成型导热硅橡胶或双组份加成型导热硅橡胶。

具体的，在第一导热层涂覆完成后，还需在第一导热层上均匀涂覆一软性的第二导热层。优选的，第二导热层为导热凝胶或柔性导热垫片。在复合散热材料的三种制作方法中步骤S200是不相同的，是根据第一导热层的固化状态及第二导热层的材料不同进行设置的。其具体如下所述：

(1)步骤S200’：

对导热胶粘剂进行固化，在固化后的导热胶粘剂上均匀涂覆一第二厚度的导热凝胶。优选的，第二厚度范围为0.1mm-2mm。固化可为自然风化或加热快速固化，但并不以此为限。在导热胶粘剂固化后，和冷却板或冷却管有良好的粘接。

(2)步骤200”：

在未固化后的导热胶粘剂上均匀涂覆一第三厚度的导热凝胶。优选的，第三厚度范围为0.1-2mm。

如上两者方法的步骤200’及步骤200”中均是在导热胶粘剂上涂覆一层导热凝胶，为实现本发明中复合散热材料的抗磨损、高效导热、提高绝缘可靠性的要求时，对导热凝胶的硬度、导热系数、体积电阻率及电气强度等均有一定的要求：导热凝胶需具有绝缘、导热、低硬度、使用方便等特点。较优的，导热凝胶的硬度<25，导热凝胶的导热系数范围为0.5-10W/m.k，导热凝胶的体积电阻率>1×10¹²Ω.cm，导热凝胶的电气强度>10kV/mm。更优的，导热凝胶为硬度<20、导热>1.0W/m.k、体积电阻率>1×10¹²Ω.cm，电气强度>15kV/mm的导热凝胶为单组分加成型导热硅凝胶或双组份加成型导热硅凝胶或低硬度缩合型硅橡胶。

步骤200’与步骤200”的主要区别在于：在涂覆导热凝胶之前是否对导热胶粘剂进行固化。不论导热胶粘剂是否固化，步骤S200’或步骤S200”后，还需完成对整个复合散热材料的固化步骤S300’或步骤S300”，具体的，第二导热层与第一导热层结合成一复合散热材料,将复合散热材料进行固化。即是，导热胶粘剂与导热凝胶结合成一复合散热材料，对该复合散热材料进行固化，在常温或者加热下快速固化，形成下层高硬度、高强度、粘接良好，上层柔软并和下层有良好附着力的复合导热材料。

(3)步骤200”’：

步骤S200’及步骤200”中第二导热层均是导热凝胶，而步骤S200”’中第二导热层为柔性导热垫片。步骤S200”’中是在未固化后的导热胶粘剂上粘贴一柔性导热垫片。优选的，柔性导热垫片的厚度为0.2mm-2mm。为实现本发明中复合散热材料的抗磨损、高效导热、提高绝缘可靠性的要求时，对软性导热垫片的硬度、导热系数、体积电阻率及电气强度等均有一定的要求：柔性导热垫片具有绝缘、导热、低硬度等特点。则，较优的，柔性导热垫片的硬度<25，柔性导热垫片的导热系数0.5-10.0W/m.k，柔性导热垫片的体积电阻率>1×10¹²Ω.cm，柔性导热垫片的电气强度>10kV/mm，。更优的，柔性导热垫片为硬度<20、导热系数>1.0W/m.k、体积电阻率>1×10¹²Ω.cm，电气强度>15kV/mm的已成型的导热硅凝胶片或内含有玻璃纤维、聚酯纤维的导热垫片。在步骤S200”’后，柔性导热垫片附在导热胶粘剂表面，还需完成对整个复合散热材料的固化步骤S300”’，对柔性导热垫片进行压紧，导热胶粘剂与软性导热垫片结合成一复合散热材料，对该复合散热材料进行固化，在常温或者加热下快速固化，形成下层高硬度、高强度、粘接良好，上层柔软并和下层有良好附着力的复合导热材料。

通过上述三种方法的两层导热层设计，解决了以下问题：

1、第一导热层及第二导热层均为导热材料，解决了在冷却板表面做的绝缘材料层产生的热阻问题。

2、第二导热层用导热凝胶，保证了发热器件和散热器件的紧密贴合，高效导热，并易拆卸。

3、第一导热层的高硬度和粘接性，解决了表面的磨损，防止电池液泄漏接触到金属板，提高了冷却板表面的电气绝缘的可靠性。

4、第一导热层及第二导热层之间，导热凝胶或柔性导热垫片通过导热胶粘剂形成良好的粘接，解决了导热凝胶或者柔性导热垫片和冷却板之间因粘接力弱发生应力脱落导致的导热失效。

下面以具体实施例的实验数据为例，对按照本发明的制作方法制成的复合散热材料进行实验验证，具体包括三个两层导热层的实施例及两个一层导热层的对比实施例：

实施例1：

首先在冷却板表面涂上0.5mm的双组份加成型有机硅导热胶粘剂。该导热胶粘剂具有以下主要特性：A/B组份混合粘度20Pa.s，固化后硬度为90，导热系数为1.6W/m.k，体积电阻率为5×10¹⁴Ω.cm，电气强度16kV/mm，对铝粘接剪切强度3.2MPa。

将导热胶粘剂涂覆成型后在100℃温度下固化10分钟。

然后在固化后的有机硅导热胶粘剂在表面涂上0.5mm的双组份导热加成型硅凝胶，该导热硅凝胶具有以下主要特性：A/B混合后粘度18Pa.s，固化后硬度为10，导热系数为1.6W/m.k，体积电阻率2×10¹⁴Ω.cm，电气强度14kV/mm。

将涂覆导热凝胶后的复合散热材料在100℃温度下固化20分钟。

实施例2：

首先在冷却板表面涂上0.2mm的单组份加成型有机硅导热胶粘剂，该导热胶粘剂具有以下主要特性：粘度30Pa.s，固化后硬度为92，导热系数2.5W/m.k，体积电阻率2×10¹⁴Ω.cm，电气强度18kV/mm，对铝粘接剪切强度3.4MPa。

然后再在未固化的有机硅导热胶粘剂表面涂上0.4mm的双组份导热凝胶，导热凝胶具有以下主要特性：A/B混合后粘度25Pa.s，固化后硬度为15，导热系数2.5W/m.k，体积电阻率1×10¹⁴Ω.cm，电气强度16kV/mm。

将涂覆导热凝胶后复合散热材料在150℃温度下固化20分钟。

实施例3：

首先在冷却板表面印刷上0.5mm的单组份脱醇型有机硅导热胶胶粘剂，该导热胶粘剂具有以下主要特性：粘度40Pa.s，表干时间10分钟，室温固化，固化后硬度为88，导热系数2.8W/m.k，体积电阻率2×10¹⁴Ω.cm，电气强度20kV/mm，对铝粘接剪切强度2.8MPa。该单组分脱醇型有机硅导热胶粘剂含有直径0.2mm的玻璃微珠，用于保证后续压力操作下导热胶粘剂层的厚度>0.2mm。

然后再在未固化的单组分脱醇型有机硅导热胶粘剂表面敷上厚度1mm的柔性导热垫片，柔性导热垫片具有以下主要特性：硬度为10，导热系数2.6W/m.k，体积电阻率2×10¹⁴Ω.cm，电气强度18kV/mm。

用力将柔性导热垫片压平、压紧，并在室温放置，室温固化24小时。

实施例4(对比实施例)：

在冷却板表面涂上1mm的双组份导热凝胶，导热凝胶具有以下主要特性：A/B混合后粘度25Pa.s，固化后硬度为15，导热系数2.5W/m.k，体积电阻率1×10¹⁴Ω.cm，电气强度16kV/mm。

将涂覆导热凝胶后复合散热材料在150℃固化20分钟。

实施例5(对比实施例)：

在冷却板表面敷上厚度1mm的柔性导热垫片，柔性导热垫片具有以下主要特性：硬度为10，导热系数2.6W/m.k，体积电阻率2×10¹⁴Ω.cm，电气强度18kV/mm。

用力将柔性导热垫片压平、压紧。

对上述五个实施例的不同制作方法制成的复合散热材料进行测试验证，检查导热层损坏情况及电池底部颜色脱落情况，实施例1-实施例3包括两层导热层，实施例4-实施例5包括一层导热层。具体的测试方法：用黑色记号笔将圆柱电池组底部涂成黑色，放在以上例制备的冷却板上，固定，放在震动测试实验设备中，垂直震动，频率60次/分钟，震动24小时，然后水平震动，频率60次/分钟，震动12小时。实验结果如下表：

	实施例1	实施例2	实施例3	比较例1	比较例2
						导热层情况	无变化	无变化	无变化	部分脱落，部分挤成一团	部分脱落，碎渣状
磨损率	0％	0％	0％	30％	60％

由上述实验数据可得，两层导热层提高了冷却板表面的电气绝缘的可靠性；第一导热层及第二导热层之间，导热凝胶或柔性导热垫片通过导热胶粘剂形成良好的粘接，解决了导热凝胶或者柔性导热垫片和冷却板之间因粘接力弱发生应力脱落导致的导热失效。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种复合散热材料的制作方法，其特征在于，其制作方法包括：

步骤S100、在冷却板表面均匀涂覆一液态的第一厚度的第一导热层；

步骤S200、在第一导热层上均匀涂覆一软性的第二导热层；

步骤S300、所述冷却板、所述第二导热层及所述第一导热层结合成一复合散热材料，将所述复合散热材料进行固化。

2.根据权利要求1所述复合散热材料的制作方法，其特征在于，所述第一导热层为导热胶粘剂，所述第二导热层为导热凝胶或柔性导热垫片。

3.根据权利要求2所述的复合散热材料的制作方法，其特征在于，所述步骤S200包括：

S200’、对所述导热胶粘剂进行固化，在固化后的所述导热胶粘剂上均匀涂覆一第二厚度的导热凝胶。

4.根据权利要求2所述的复合散热材料的制作方法，其特征在于，所述步骤S200包括：

S200”、在未固化后的导热胶粘剂上均匀涂覆一第三厚度的导热凝胶。

5.根据权利要求2所述的复合散热材料的制作方法，其特征在于，所述步骤S200包括：

S200”’、在未固化后的导热胶粘剂上粘贴一柔性导热垫片。

6.根据权利要求5所述的复合散热材料的制作方法，其特征在于，所述软性导热垫片的厚度为0.2mm-2mm。

7.根据权利要求1所述的复合散热材料的制作方法，其特征在于，所述导热胶粘剂的硬度>50，所述导热胶粘剂的导热系数范围为0.5-10.0W/m.k，所述导热胶粘剂的体积电阻率>1×10¹²Ω.cm，所述导热胶粘剂的电气强度>10kV/mm。

8.根据权利要求1所述的复合散热材料的制作方法，其特征在于，所述导热凝胶的硬度<25，所述导热凝胶的导热系数范围为0.5-10W/m.k，所述导热凝胶的体积电阻率>1×10¹²Ω.cm，所述导热凝胶的电气强度>10kV/mm。

9.根据权利要求7所述的复合散热材料的制作方法，其特征在于，所述导热胶粘剂为缩合型导热硅橡胶或单组分加成型导热硅橡胶或双组份加成型导热硅橡胶。

10.根据权利要求8所述的复合散热材料的制作方法，其特征在于，所述导热凝胶为单组分加成型导热硅凝胶或双组份加成型导热硅凝胶或低硬度缩合型硅橡胶。